管壳式换热器的设计及计算

增进器是在传热面附近设置一个小物体(不一定与传热面相连接)，它可以是各种形状和型式，最常见的是在传热面上等距离设置突起物，通过搅乱流动来达到强化传热的目的[14]。管内插入物有:扭带(Turbu lators)、螺旋片、螺旋线圈(Spirele Elements)和静态混合器(Kenics Mixers)。它们适合于强化管内单相流体传热，尤其对强化气体、低雷诺数或高粘度流体传热更为有效[9]。最近，国外又开发出一种称之为H itran Matrix Elements的花环式插入物，它是一种金属丝制翅片管子插入件(Wire2F in Tube Inserts)，能增强湍流，改善传热性能。它是英国Cal Garin Ltd.公司的产品，并取得了专利权[15]。
当前换热器发展的基本趋势是：继续提高设备的传热效率，促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准化系列化和专业化，并在广泛的范围内继续向大型化的方向发展。各种新型高效紧凑式换热器的应用范围将得到进一步扩大。在压力、温度和流量的许可范围内，尤其是处理强腐蚀性介质而需要使用贵重金属材料的场合下，新型紧凑式换热器将进一步取代管壳式换热器。
70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展，为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备[1]。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高[2]。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题，最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，对其一方面要求成本适宜，另一方面要求高精度的设计技术。当今换热器技术的发展以CFD(Computational Fluid Dynamics)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[3]。
第一章
在化工生产中，为了工艺流程的需要，常常把低温流体加热或把高温流体冷却，把液态汽化或把蒸汽冷凝程液体，这些工艺过程都是通过热量传递来实现的。进行热量传递的设备称为换热设备或换热器。换热器是通用的一种工艺设备，他不仅可以单独使用，同时又是很多化工装置的组成部分。
在化工厂中，换热器的投资约占总wk.baidu.com资的10%——20%，质量约为设备总质量的40%左右，检修工作量可达总检修工作量的60%以上。由此可见，换热器在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。在其他方面如动力、原子能、冶金、轻工、制造、食品、交通、家电等行业也有着广泛的应用。
第二章 换热器工艺尺寸的选择
在设计过程中可以选择HTFS或HTRI进行设计计算，有时需要使用ASPEN PLUS模拟工艺物料的物性数据。先进行设计性计算，输入基础数据，如换热器形式、流体走向、卧立式、流体温度、压力、流量及物性数据等，进行运算得出比较合适的换热器直径和换热管长，再进行校核型和模拟型计算，核算所选换热器是否满足设计要求。
近年来，随着制造技术的进步，强化传热元件的开发，使得新型高效换热器的研究有了较大的发展，根据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，并已在化工、炼油、石油化工、制冷、空分及制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益。国外推出的新型换热器有:ABB公司的螺旋折流板换热器(Helix changer TM)、Hamon Lummus公司的SRCTM空冷式冷凝器[3]、Packinox换热器[3]、NTIW列管式换热器[16]、英国Cal Gavin公司的丝状花内插物换热器(Hitran)[17]、日本的Hybrid混合式换热器[18]，俄罗斯的变形翅片管换热器[8]、喷涂翅片管冷却器[19]、非钎焊金属丝缠绕翅片管换热器[14]和螺旋绕管式换热器[21]、美国Chemineer公司的Kenics换热器(KenicsHeat Exchanger)、日本的SM型换热器(内插静态混合器)、美国Brown Fin tube Ltd.的带扭带插入物的湍流增强式换热器(Ex2changerWith Turbulator)和麻花扁管换热器(TwistedTube Heat Exchanger)、美国Yuba公司的Hemilok○R换热器、澳大利亚Roach Heat Exchangers公司的柔性换热器(Flexible Heat Exchanger)等。此外，还有日本日阪制作所生产的世界单台最大处理能力为5000m3/h的UX2100型板式换热器、法国NordonCryogenie公司生产的6900mm×1525mm×1300mm(长×宽×高)换热面为1500m2的板翅式换热器、英国MichaelWebb Process EquipmentSupply公司的提箱式全焊板式换热器和其他各种紧凑式换热器(包括半焊式和全焊式板式换热器)、美国传热公司的F IV ER2ROD式防振结构换热器。更值一提的是在今年欧洲化工设备展览会上，法国Le Carbone公司还推出了1种称为新奇换热器(Exotic Heat Ex2changer)，它是一种防腐的钽制换热器，光滑如玻璃，供制药工业，配有防污平管板，避免了任何污物在管接合处聚积。该换热器尺寸很大。此外，空冷器方向也有新进展。以上介绍的各式换热器的设计思想各有新颖之处，结构上各具特色。有的在于强化管内传热，有的着眼于壳程强化传热，有的改进了管箱设计，有的着重防止管板诱导振动，有的紧凑了设备结构，有的在于防腐防垢。其中最先进的要数PACK INOX、SRCTM、Helix2changerTMTwisted2tube Exchanger、H-2TRAN、Hybrid、Exotic Heat Exchanger几种换热器。PACK INOX换热器实际上是一种新型板式换热器，代替列管式换热器用作炼油厂催化重整装置混合料换热器，并且得到了迅速推广应用。SRCTM换热器，采用扁平翅片管(19mm×200mm)，由于传热面造型特异，最适于强化传热，解决了偏流问题。其用于空冷式换热，传热特性高，压力损失低。He2liechangerTM换热器，采用了螺旋状折流板结构，设计原理是:将圆截面的特制板安装在拟螺旋状折流系统中。每块折流板占换热器壳程中横剖面的1/4，其倾角朝向换热器的轴线，即与换热器轴线保持一倾斜度。相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状，折流板轴向重叠。如欲减少支撑管子的跨度时，也可以采用双螺旋设计。独特的设计避免弓形折流板曲折的Z字形流道系统导致的死角和较高的返混。美国Brown公司最新推出了Twisted2tube Exchanger换热器，此换热器原本是瑞典Allares公司产品，Brown公司作了改进。其螺旋扁管制造过程包括“压扁”、“热扭”两个工序。由于管子结构独特，使管程与壳程同时处于螺旋流动，促进了湍流程度。该换热器总传热系数较常规换热器高40%，而压力降几乎相等。换热器组装时亦可采用螺旋扁管与光管混合方式。这种换热器在化工、石油化工行业中将具有广阔的应用前景[11]。HiTRAN换热器，采用丝状花内插物，可使流体在低速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动，可提高诱发湍流和增强沿温度梯度方向上的流体扰动，能在不增加阻力的条件下大大提高传热系数[13]。Hy2brid换热器是日本近几年开发的一种新型换热器，它综合了板式换热器与管壳式换热器两者的优点，克服了板式换热器因密封问题而受到限制的弱点，很有发展前途[20]。
总之，为了适应工艺发展的需要，今后在强化传热过程和换热设备方面，还将继续探索新的途径。
所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。狭义的强化传热系指提高流体和传热面之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理，即使温度边界层减薄和调换传热面附近的流体，前者采用各种间断翅片结构，后者采用泡核沸腾传热[2]。最近还兴起一种EHD技术，即电气流体力学技术，又称为电场强化冷凝传热技术，进一步强化了对流、冷凝和沸腾传热，特别适用于强化冷凝传热，并适用于低传热性介质的冷凝，因而引起人们的普遍关注[3]。其原理是，对某些不导电液体的表面施以相垂直的电场，使液体表面变得很不稳定，借冷凝液表面的张力作用和在静电场下液膜的不稳定现象使液膜厚度减薄，从而强化冷凝传热。其所需电场耗用的电力很小。人们想尽各种办法实施强化传热，归结起来不外乎两条途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的湍流增进器或插入物。
为了强化壳程传热，除上述改变管子外形或在管外加翅片外，另一途径就是改变壳程档板或管间支撑物。为了克服单弓形档板的缺点，先后开发了双档板(Double Segmental Baffles)、三档板(Triple Segmental Baffles)、折流计了一种“外导流筒(Shellside Flow Distri2bution)”结构，接着又出现了整圆槽孔折流栅板[11]。最近ABB Lummus公司又新推出了Helical Baffles折流板结构[12]。实践证明，这些改进都大大降低了流体在壳程中的阻Taborek曾指出，流体在壳程中作纵向流动是管壳式换热器中的最理想结构形式，如果壳程流体流量足以保证在湍流条件下作纵向流动，这种选择看来是有利的。为了强化壳程传热，目前，壳程设计也在向各种强化结构组合的方向发展。
改变传热面形状的方法有多种，其中用于无相变强化传热的有:横槽管、螺旋槽管(S管)和缩放管。新近又开发出偏置折边翅片管(一种间断翅片管)和螺旋扁管，后者也叫麻花管(Twisted Tube)，这原是瑞士的Allares公司技术，后经布朗公司(Brown Fin tube，Ltd.)改进，是一种高效换热元件[4]。用于有相变强化传热的强化沸腾传热管有:烧结多孔表面管、机械加工的多孔表面管(如日本的Themoexcel2E管)、电腐蚀加工的多孔表面管[5]、T型翅片管、ECR40管和Tube2B型管。从所报导数据来看，在整体低肋管上切纵槽后再滚压成型的Tube2B型管似乎有较高的传热性能，它可能符合薄液膜面积较大，隧道与外界液体相通，因而有利于蒸汽流出和液体吸入等要求[6]。俄罗斯也开发出一种称之为“变形翅片管”[7]的传热管，可用于空分装置的冷凝2蒸发器[8]。用于强化冷凝传热的传热管有:纵槽管、低螺纹翅片管、锯齿形翅片管(ST管)和径向辐射肋管式翅片管(R管)等。近年来，Hamon2L ummus公司又新推出一种SRC翅片管(SRC Fin Tube)[3]，用于冷凝传热。内翅片管与横槽管和螺旋槽管一样，不但可用于单相对流传热，也可有效地用于强化管内流动沸腾传热[9]。而横槽管和螺旋槽管不但能强化管内传热，同时杆(Rod Baffles)、窗口不排管(NTIW)和波网(Nest)等新壳程结构[10]。随后有人设还能强化管外传热。外翅片管可以利用液体表面张力减薄冷凝液膜厚度以强化传热，这一发现大大促进了新型翅片管的研究开发。人们用不同金属制造不同形状的翅片管，其翅片形状有:三角肋三角槽、梯形肋三角槽、梯形肋梯形槽、三角肋梯形槽和Wolverine Tube2C管等。翅片密度在50～3000个翅片，与光管相比，给热系数可提高1～12倍[11]。俄罗斯还介绍了1种空冷器用的轧制翅片管，为双金属管，每隔1个翅片有切口，用以强化传热[12]。俄罗斯还有1种金属丝缠绕的绕丝翅片管[14]和气动喷涂翅片管[13]。内螺旋翅片管(NL管)是美国新开发的1种高效强化管内相变传热元件，根据翅片形状不同，可分为三角肋、梯形肋和矩形肋等，用于沸腾传热。内波纹螺纹管在湍流时可使对流传热系数增加1倍多。多头内螺纹管(ISF管)也是一种高效强化传热管，具有较好的强化管内沸腾传热的性能，传热膜系数为光管的116～212倍，在相同的传热面积下，能够完成相当于光管168%～200%的传热负荷。ISF管的强化传热作用主要是内表面和二次流的增加所致。可用于干式蒸发器，与目前制冷行业通用的星形内肋管蒸发器相比，质量可以减轻近50%。截面管也是近年来国外研究开发的强化传热元件，可分为蛋形管、豆状管和菱形管，统称为异形管。实验证明，此类管件与光圆管相比，具有显著的强化传热效果。